董 偉，杜學(xué)軍，王 棟，汪順義，馮浩杰，任雪芹，胡樹(shù)文

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100093)

我國(guó)鹽堿土地資源總額約為9 913萬(wàn)hm2，占到耕地總面積的2/3左右[1]，這嚴(yán)重制約我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。松嫩平原位于我國(guó)東北部，土壤中鹽分組成以Na2CO3、NaHCO3為主，面積超過(guò)300萬(wàn)hm2，是我國(guó)最大的蘇打型鹽堿土分布區(qū)[3-5]。改造治理及合理開(kāi)發(fā)利用松嫩平原鹽堿土，是東北地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一，也對(duì)改善生態(tài)環(huán)境，推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[6]。

在具有便利水利條件的地區(qū)，當(dāng)?shù)囟嗖捎谩胺N稻改堿”的傳統(tǒng)改良方式，經(jīng)過(guò)灌水壓鹽和灌溉沖洗，3～4年后初步形成淡化耕層[7]，5年后，才能形成明顯淡化耕層，改良時(shí)間過(guò)于漫長(zhǎng)[8]。反之，添加不同類(lèi)型土壤改良劑成為有效且快速的改良措施。王文杰等[9]發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酸(PAA)與堿土混合在木醋液阻隔下，顯著減緩了鹽分離子向表層的運(yùn)輸，根系土壤pH值和鹽含量顯著下降。同時(shí)在施加鈣源石膏輔助下，鹽堿地的改良效果顯著提升[10]。王睿彤等[11]利用有機(jī)肥與保水劑等為原料制作的改良劑可顯著提高土壤酶活性，降低土壤pH值。以往化學(xué)改良劑雖見(jiàn)效快，但成本較高。針對(duì)松嫩平原水鹽運(yùn)動(dòng)特征，結(jié)合蘇打型鹽漬土壤理化性質(zhì)，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、成本較低的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合鹽堿土改良劑。

本文通過(guò)將土柱淋洗模擬實(shí)驗(yàn)和改良重度鹽堿地的田間試驗(yàn)方法相結(jié)合，探究新型土壤改良劑對(duì)蘇打型鹽堿地土壤養(yǎng)分、土壤理化特性和水稻產(chǎn)量的影響。試從土壤理化性狀及作物生長(zhǎng)角度揭示新型改良劑對(duì)鹽堿土改良效果并明確該種新型改良劑田間使用的適宜用量，為鹽堿地的快速改良提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間試驗(yàn)于2015年6—9月在吉林省通榆縣八面鄉(xiāng)宏達(dá)村農(nóng)場(chǎng)(N45°03′，E123°37′)進(jìn)行，該地屬大陸性半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候，年降水量約450 mm，夏季平均最高氣溫為28℃，淺層地下水埋深平均約為2 m，礦化度平均為1.3 g·L-1。該地區(qū)土壤為典型草甸堿土，質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，基礎(chǔ)養(yǎng)分和鹽堿情況如下：pH 10.42，水溶性鹽總量9.21 g·kg-1，堿化度35.7%，有機(jī)質(zhì)7.04 g·kg-1，全氮0.52 g·kg-1，堿解氮151.70 mg·kg-1，有效磷35.60 mg·kg-1，速效鉀103.00 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試土壤改良劑為以硫磺、腐植酸等高分子有機(jī)物為載體，通過(guò)磺化、接枝共聚等化學(xué)改性技術(shù)合成的鈣鹽(其中硫磺17%，腐殖酸50%，含鈣物質(zhì)33%)。供試水稻品種為白稻8號(hào)。

田間試驗(yàn)：試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，分別為A0(對(duì)照，不加改良劑)、A1(改良劑5 t·hm-2)、A2(改良劑7.5 t·hm-2)、A3(改良劑15 t·hm-2)。各小區(qū)面積均為0.1 hm2，插秧密度為30 cm×13 cm，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次，每小區(qū)間隔1 m。施肥量和施肥方法同農(nóng)民常規(guī)施用。每處理小區(qū)均施用100 kg 13-18-14型復(fù)合肥做底肥；在返青期、分蘗期和穗期每小區(qū)均追施15 kg(NH4)2SO4。試驗(yàn)于2015年6月3日施用改良劑，開(kāi)始灌水、泡田和排水，保持水層厚約5 cm，以3 d為周期，泡田2次；水稻生育期期間按照當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)灌排方式，始終保持水層厚4～6 cm，當(dāng)水體泛紅、出現(xiàn)漂浮泡沫時(shí)，立即換水。6月10日開(kāi)始插秧，正常田間管理，9月29日收獲并考種計(jì)產(chǎn)。

土柱淋洗試驗(yàn)：試驗(yàn)選取田間試驗(yàn)0～40 cm耕層土壤。在PVC管(內(nèi)徑11 cm，高度50 cm)中進(jìn)行。各處理的改良劑用量分別為0、1.67、2.50、5.00 g·kg-1，依次記為A0、A1、A2、A3，重復(fù)3次。土壤過(guò)2 mm篩后，與改良劑混合均勻后按照自然狀態(tài)土壤容重(1.5 g·cm-3)裝填土柱，每次裝填5 cm，共填入40 cm。模擬試驗(yàn)采用間接淋洗法，每隔24 h淋洗1次，淋洗量為800 ml·次-1，淋洗5次之后測(cè)定土壤鹽堿指標(biāo)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

土壤理化性質(zhì)：土柱淋洗試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分層取樣，每10 cm取一個(gè)土壤樣品。田間試驗(yàn)于2015年泡田前和秋季收獲后兩個(gè)時(shí)期采集土壤樣品，在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，按照“S”形路線設(shè)3個(gè)采樣分點(diǎn)采集表層(0～20 cm)混合土樣。將上述土壤樣品風(fēng)干，采用四分法取樣后，過(guò)2 mm和1 mm篩后用于理化性質(zhì)分析。其中土壤pH值采用電位法(土水比1∶2.5)；水溶性鹽總量采用殘?jiān)娓煞?；鈉離子的測(cè)定采用火焰光度法；有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化—容量法(硫酸銀做掩蔽劑)；全氮的測(cè)定采用凱氏法；堿解氮的測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法；速效鉀的測(cè)定采用醋酸銨浸提—火焰光度法；有效磷的測(cè)定采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法；水溶性交換性鈉的測(cè)定采用乙酸銨—?dú)溲趸@—火焰光度法；陽(yáng)離子交換量的測(cè)定采用乙酸鈉—火焰光度法。

生物量與產(chǎn)量：收獲期每小區(qū)隨機(jī)選取5處，用1 m×1 m采樣器固定后，統(tǒng)計(jì)該樣方內(nèi)水稻株高，穗長(zhǎng)、分蘗數(shù)等生長(zhǎng)性狀，烘干后計(jì)算生物量。將每個(gè)小區(qū)完全收獲后計(jì)算產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003進(jìn)行處理，用SPSS(18.0) (SPSS Institute, Inc., Cary, NC, USA)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析, 方差分析比較處理間的效應(yīng)差異，LSD法比較平均數(shù)間的差異顯著性；試驗(yàn)結(jié)果采用origin 8.1作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土柱淋溶條件下不同改良劑對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

pH值是土壤重要的化學(xué)性質(zhì)，也是影響土壤肥力的主要因素之一。如圖1(a)所示，與A0處理相比，三個(gè)施用新型改良劑處理均顯著降低了0～40 cm土層pH值(P<0.05)，且隨改良劑用量增加，同一土層pH值呈降低趨勢(shì)。但同處理的不同土層間pH值變化差異不顯著。

淋洗結(jié)束后，比較各處理的水溶性鹽總量的變化圖1(b)。結(jié)果表明，與A0處理相比，添加改良劑后表層土壤(0～20 cm)水溶性鹽總量顯著降低(P<0.05)，同時(shí)，隨取樣深度的增加，水溶性鹽總量呈逐漸上升趨勢(shì)。對(duì)不同土層水溶性Na+圖1(c)變化特性分析，在土壤脫鹽過(guò)程中，土壤Na+含量變化也呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)。這說(shuō)明土壤表層中的水溶性鹽離子會(huì)隨著水的淋洗向下遷移，到達(dá)一定深度后累積。同時(shí)改良劑中的Ca2+與Na+發(fā)生置換，Na+形成中性鹽，而不會(huì)去水合形成氫氧化鈉[13]，同時(shí)被水淋失，進(jìn)而降低土壤pH值。

圖1 不同處理對(duì)土壤pH值(a)、水溶性鹽總量(b)和Na+(c)的影響

Fig.1 Effect of different treatments on soil pH(a), total salt(b), Na+(c)

2.2 不同改良劑用量對(duì)水田耕層土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

如表1所示，與A0處理相比，施用改良劑較對(duì)照可顯著降低耕層土壤pH值(P<0.05)，但各處理間pH值變化差異不顯著(P>0.05)。施用改良劑顯著降低了土壤堿化度(P<0.05)，從34.55%(A0)下降至18.20%(A3)，其中，A2與A3處理間差異不顯著。與A0處理相比，施用改良劑可顯著降低耕層土壤水溶性鹽總量(P<0.05)，其中A2處理降低幅度最大，為46.4%，A3處理次之，為43.6%，A1處理最小，僅為29.8%。

表1 不同改良劑用量對(duì)水田耕層土壤化學(xué)性質(zhì)的影響 Table 1 Effect of different treatments on soil chemical properties

注：不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: different small letters meant significant difference among treatments atP<0.05 level; the same below.

如表2所示，與A0處理相比，施用改良劑處理降低了土壤有機(jī)質(zhì)含量(P<0.05)，其中，處理間表現(xiàn)為A20.05)。

2.3 不同改良劑用量對(duì)水稻生長(zhǎng)狀況及產(chǎn)量性狀的影響

如表3所示，與A0處理相比，施用新型改良劑顯著提高了收獲期水稻株高、穗長(zhǎng)和生物量，其中，A1、A2和A3處理株高分別提高18.2%、16.5%和33.6%(P<0.05)；穗長(zhǎng)分別提高6.8%、12.6%和20.4%；生物量分別提高87.2%、133.3%和91.0%(P<0.05)?？梢?jiàn)，施用改良劑有利于水稻生長(zhǎng)，其中A2處理下生長(zhǎng)狀況最優(yōu)。

由表4可以看出，與A0處理相比，添加改良劑后土壤性質(zhì)得到改善，水稻空癟率顯著降低(P<0.05)，水稻的有效分蘗增加，穗粒數(shù)和千粒重顯著提高(P<0.05)，且各產(chǎn)量構(gòu)成因子均以A2處理最優(yōu)。施用改良劑后，水稻產(chǎn)量顯著提高，由增產(chǎn)幅度來(lái)看，A2處理最高，將近三倍(290.8%)，A3處理次之，為252.9%，A1處理最低，僅為189.2%。

表2 不同改良劑用量對(duì)水田耕層土壤養(yǎng)分的影響 Table 2 Effects of different treatments on soil nutrient contents

表3 不同處理對(duì)作物生長(zhǎng)的影響 Table 3 Effects of different treatments on rice growth

3 討 論

長(zhǎng)期以來(lái)，“種稻改堿”被認(rèn)為是一項(xiàng)促進(jìn)生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展的有利工程。本試驗(yàn)擬通過(guò)新型土壤改良劑的田間試驗(yàn)，探究其對(duì)鹽堿土改良的效果。

本試驗(yàn)所采用的新型改良劑中的硫磺成分能夠降低土壤pH值[12-14]。Ca2+能與堿性物質(zhì)反應(yīng)，代換出土壤中的Na+，提高Na+的淋洗效率，進(jìn)而降低耕層鹽分含量及堿化度。這與之前的研究[15-17]相吻合。改良劑中的腐殖酸成分易溶于堿，可與水中的金屬離子交換、吸附、螯合，有利于作物吸收營(yíng)養(yǎng)元素，且硫磺中所含的硫元素在一定程度上能夠促進(jìn)作物的生長(zhǎng)[18]；同時(shí)腐殖酸在分散體系中作為聚電解質(zhì)，可通過(guò)對(duì)土壤的凝聚、膠溶等作用，達(dá)到改善其結(jié)構(gòu)、增加孔隙度和降低鹽分的效果[19-21]；此外，腐殖酸能夠改善土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)酶活性，進(jìn)而促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育。

表4 不同改良劑用量對(duì)水稻產(chǎn)量性狀和產(chǎn)量的影響 Table 4 Effects of different treatments on rice yield characters and yield

本試驗(yàn)中土壤有機(jī)質(zhì)含量的降低可能是因?yàn)槭┯酶牧紕┨幚淼耐寥劳杆约訌?qiáng)，較對(duì)照處理不易板結(jié)，使得土壤在后期田間干濕交替管理中暴露于更高溫度環(huán)境中，土壤微生物活性增加，從而使土壤有機(jī)質(zhì)分解速率增大[18]，同時(shí)這也可能與施用改良劑后土壤透水性增強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)易被淋失有關(guān)。這與本試驗(yàn)的改良原理相吻合。土壤中的有效磷含量受到土壤粘粒含量的影響，因?yàn)檎沉１砻鎸?duì)速效磷有吸附作用[22]。經(jīng)改良后的土壤pH值降低，土壤磷素解吸，活性增強(qiáng)，利于植物吸收。此外，改良劑中的腐殖酸成分能夠提高肥效[23]，使得土壤表層集聚較多氮和鉀的速效成分。但是由于硝態(tài)氮易被淋溶，經(jīng)改良過(guò)的土壤孔隙比例有所變化，孔隙度提高，土壤透水性增強(qiáng)，部分氮素能夠經(jīng)水分淋洗向下移動(dòng)。這也在一定程度上解釋了處理3中氮素含量較低的現(xiàn)象。

本研究證明施用新型土壤改良劑處理蘇打鹽堿土，可降低土壤耕層的pH值、水溶性鹽總量和堿化度，水稻株高分別提高18.2%～33.6%(P<0.05)；穗長(zhǎng)分別提高6.8%～20.4%；生物量分別提高87.2%～133.3%。同時(shí)A2處理與對(duì)照處理相比，產(chǎn)量提高近三倍(290.8%)。施用改良劑后，土壤pH值、水溶性鹽總量和堿化度的降低，利于水稻對(duì)土壤中有效養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而增加生物量，最終提高水稻產(chǎn)量，取得可觀的改良效果。

由于本試驗(yàn)重點(diǎn)觀察和探索該新型改良劑的實(shí)際應(yīng)用效果，未能對(duì)其中Ca2+在田間的緩釋機(jī)理作針對(duì)性研究，今后將作進(jìn)一步探索，為此改良劑的田間應(yīng)用提供更為豐富的科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 論

1) 土柱淋洗試驗(yàn)表明，供試堿土中加入改良劑，可以降低土壤pH值，增加水溶性鹽總量和提高鈉離子的淋洗效率；比較分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，2.5 g·kg-1的改良劑用量能夠?qū)崿F(xiàn)土柱可溶性鹽分和鈉離子的最佳淋洗效果。

2) 通過(guò)田間試驗(yàn)示范，一次性施用此種土壤改良劑能夠?qū)崿F(xiàn)重度鹽堿地水田的快速改良。施用不同用量改良劑均能消除鹽堿危害，進(jìn)而改善土壤透水性，提高鹽分淋溶速率，使水溶性鹽總量顯著降低，土壤性質(zhì)得以改善，作物增產(chǎn)效果突出。結(jié)果表明：施用改良劑適宜田間用量為7.5 t·hm-2。

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